基于LabVIEW的水力機械試驗臺測試系統

蔡尚炅，王洪杰，劉世勛，魏顯著，陳金霞

( 1. 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040 )

1 前言

現代水力設計方法及手段大大促進了大型水輪機的開發，然而設計結果如何，需要試驗來鑒定。原型機試驗有費用高、精度低等缺點，目前世界上已普遍采用水力機械模型試驗來評價原型機性能[1,2]。然而水力機械試驗周期長，現有試驗臺已不能滿足日益增長的水電市場需求，再建水力機械試驗試驗臺已成為必須。鑒于此，哈爾濱大電機研究所在高Ⅰ臺、Ⅱ臺的基礎上，采用當前最新設計思想及測試平臺，建設了哈爾濱大電機研究所水力機械Ⅲ臺、Ⅳ臺[3]。

水力機械模型試驗的質量好壞，在很大程度上取決于其測量技術。要快速、準確地獲取試驗數據，需要一套可靠、高效的測試系統[4]。

美國National Instruments(NI)公司在測試測量技術上已處于世界領先地位，國內外大多采用其產品實現了各種測試功能。日本日立公司研制的“水力發電設備狀態監測系統”以及日本東京電力公司和東芝公司共同研究開發“抽水蓄能發電機組自動監視系統”，均取得了良好成效[5]。

本測試系統選擇NI公司的數據采集設備，利用其圖形化開發軟件LabVIEW設計了一套水力機械試驗臺測試系統。通過本測試系統軟件可以在線實現水力機械模型的各種試驗。對混流式、軸流式、貫流式水輪機以及可逆式水泵水輪機模型實現實時、快速和精確數據測量。

2 測試原理

水力機械模型試驗，是在保證水輪機過流表面尺寸幾何相似的情況下，通過相似換算原理，把模型轉輪的試驗結果轉化為真實轉輪的性能數據[6]。水力機械模型試驗臺如圖1所示。

圖1 水力機械模型試驗臺

3 基于LabVIEW的測試軟件系統

3.1 程序結構設計

本測試系統軟件任務復雜、功能齊全。采用基于事件結構的狀態機模式來構建程序框架。該模式結合了隊列狀態機和事件結構，能快速準確地捕捉用戶操作指令，并使軟件穩定運行。數據采集任務同用戶操作及參數顯示分別放置在不同的循環內，這樣保證了數據采集的連續性，也使得用戶的操作更加準確。程序結構如圖2所示。

圖2 程序結構圖

3.2 測試系統設計

測試系統軟件設計包含三部分：一是傳感器率定系統，二是數據采集系統，三是后處理系統。測試系統軟件的架構如圖3所示。

3.2.1 傳感器率定系統

在進行數據采集試驗之前，為保證傳感器量值傳遞的準確性，需先對其進行率定。通過傳感器率定，也即標定，建立真實物理值與電信號之間的匹配關系。測試系統對各種類型傳感器的率定功能實現見表1。

3.2.2 數據采集系統

本測試系統數據采集系統可以實現混流式、軸流式、貫流式水輪機以及可逆式水泵水輪機模型的效率、空化、飛逸、蝸殼壓差、軸向力、徑向力、導葉水力矩、壓力脈動、補氣、變空化壓力脈動、力矩波動、圓筒閥、成像觀測試驗，對可逆式水泵水輪機還能實現泵工況效率及四象限試驗。基于虛擬儀器的測試系統具有移植性好，通用性強，使用方便等特點。具體功能如圖4所示。

圖3 測試系統軟件架構

表1 傳感器率定功能

（1）實時采集

數據采集過程中，根據率定結果，測試系統對傳感器實時采集來的電信號進行實時轉換，并計算出該工況下的各個特性參數，如效率等。考慮到試驗系統參數運算量龐大，為方便管理，本測試系統采用 VC編譯運算公式，生成動態鏈接庫文件（即DLL文件）。最后采用LabVIEW中的調用庫函數節點（CLN）函數，對其進行動態調用。

（2）數據保存

數據存儲與分析過程在本系統中得以集成化，這使得試驗人員解脫于繁重的事務勞動，從而關注試驗本身的問題。進入試驗時，系統根據試驗項目內容及日期預先自動生成數據存放目錄，并根據試驗需求設定文件名。為了預防斷電等外界不確定因素造成數據丟失，系統自動開辟一數據保存空間動態保存1min內的數據，用于特殊情況下進行數據恢復。

圖4 采集試驗流程

（3）算例

為了校驗數據的準確性，在效率試驗中提供了算例功能。點擊“算例”按鈕，彈出算例電子表格文件。文件中對部分關鍵參數值進行比對，以驗證系統計算結果。算例如圖5所示。

圖5 算例

（4）歷史數據

為了對過往試驗數據進行查看與分析，試驗人員只需點擊“歷史數據”按鈕即可實現歷史數據調取。調取方式可選，分別有追加、重新調取及清空三種。追加為在已有歷史數據上增加新的數據；重新調取后只顯示新的歷史值；若點擊取消將清空歷史數據。

（5）打印報表

試驗結束后，點擊“打印預覽”，系統彈出按預先模板生成的試驗報表。報表樣式如圖6所示。

圖6 報表預覽

（6）自動預警

為了更好地監視水庫、尾水箱大罐、尾水箱小罐的液位，本測試系統啟動自動預警判斷功能，給用戶提供更好的信息及即時的反饋。如圖7所示。

圖7 自動預警

3.2.3 后處理系統

數據采集完成后，進入數據后處理系統，可對試驗數據進行選擇和調整，并生成相應的特性文件，以及繪制出各種特性曲線。

在效率試驗中，對轉槳式水輪機，一般需對每一槳葉開度下的數據取最優值，生成包絡線。最優值的選取方式有三種：取各個開度下的最高效率點；由試驗人員根據經驗手動選取數據點；程序自動求取，并生成曲線包絡。前兩種方式易于處理，但是工作量太大、準確度較差。

在第三種情況中可采用控制誤差來求解包絡線。具體做法為先對每條曲線進行取點，然后對所選數據點進行插值，生成插值曲線。最后判別插值后的曲線是否位于所有曲線上方（即相切，這是理想時的情況），或曲線與每條曲線縱向差距不超過給定的誤差，該插值曲線即為所求包絡線。如圖8所示。

圖8 包絡線

4 結論

（1）基于美國NI公司LabVIEW軟件平臺的水力機械測試系統，充分利用了軟件本身的強大功能，完成了與水力機械試驗臺之間數據的實時采集、分析與處理等。

（2）本測試系統，自動化程度高，大大降低了試驗人員的工作強度，同時也提高了測試效率，增強了系統穩定性和可靠性。并在此測試系統開發中取得的經驗，可在其他模型試驗臺的測試系統中推廣。

[1]趙越, 劉智良, 郭全寶. 確定模型水泵水輪機水泵工況葉片初生空化的聲學方法研究[J]. 大電機技術, 2011, (1): 39-45.

[2]陳金霞, 趙越, 覃大清. 哈電高水頭試驗臺(Ⅱ)測試系統的特點[J]. 大電機技術, 2002, (4)：47-50.

[3]趙越, 呂延光, 黎輝, 吳可君. 近年來水輪機模型試驗技術的發展[J]. 大電機技術, 2010, (1):41-45.

[4]黃豪彩, 楊燦軍, 陳道華, 等. 基于 LabVIEW的深海氣密采水器測控系統[J]. 儀器儀表學報,2011, 32(1): 40-45.

[5]彭文季.水力機組空蝕在線監測系統的LabVIEW 實現[D]. 昆明: 昆明理工大學,2004.

[6]曹鹍. 水輪機原理及水力設計[M]. 北京: 清華大學出版社, 1991, (6): 26-106.